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        某鐵路橋梁施工支架承載力及穩(wěn)定性分析

        2010-06-29 06:10:50健,李
        城市道橋與防洪 2010年10期
        關(guān)鍵詞:箱梁承載力模態(tài)

        郭 健,李 捷

        (1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅蘭州730070;2.青海交通學(xué)院土木工程系,青海西寧810003)

        0 引言

        支架現(xiàn)澆施工是簡(jiǎn)支梁橋最常用的施工方法之一,施工過程中支架要承受各種荷載,為了保證橋梁在施工過程中的安全和可靠,對(duì)施工中采用的支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載力要有足夠的認(rèn)識(shí)。通常對(duì)橋梁支架的計(jì)算,采用的是簡(jiǎn)化計(jì)算方法。這與支架的實(shí)際受力情況差距較大,往往會(huì)造成事故。本文采用有限元方法對(duì)簡(jiǎn)支梁橋支架施工進(jìn)行了分析,根據(jù)分析結(jié)果評(píng)價(jià)了支架的穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果對(duì)類似工程具有一定的參考價(jià)值。

        1 工程概況

        某特大橋?yàn)?8 m簡(jiǎn)支梁橋,全橋共6孔,其中5孔在河灘上。橋梁上部結(jié)構(gòu)為48 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁,梁高4.05 m,梁頂面寬4.9 m,梁底面寬3.0~3.3 m,梁頂板厚27.3 cm、底板厚25 cm、腹板厚28 cm、道砟槽高35 cm、寬20 cm,箱梁自重約為620 t。橋墩高12 m~15 m,由于吊裝困難,故位于河灘處的箱梁采用滿堂支架原位現(xiàn)澆法施工。

        橋址處從地面往下0~0.5 m為黃土,承載力為150 kPa,0.50~5 m為砂礫層,承載力為350 kPa;5 m以下為泥巖夾砂巖,承載力為500~2 000 kPa;河灘寬大且平順便于采用支架現(xiàn)澆。支架擬采用輪扣式φ48×3.0 mm鋼管腳手架,支架基礎(chǔ)經(jīng)平整碾壓,然后上面鋪設(shè)一層塑料防水層防水,周邊挖排水溝,保證地基不受雨水浸泡降低承載力,然后在防水層上擺放枕木,枕木規(guī)格為250 cm×22 cm×15 cm,在枕木上再搭設(shè)支架。支架在橋梁跨中40.5 m范圍內(nèi),順橋向間距為0.9 m,共計(jì)46排,橫橋向間距為0.9 m,共計(jì)12排;梁兩端4.5 m范圍,順橋向間距為0.6 m,共計(jì)8排;橫橋向間距為0.6 m,共計(jì)18排;水平桿步距(自上而下)0.60 m×3+120 m×N,豎桿采用輪扣3×3 m和2.4 m鋼管對(duì)插,鋼管上下均采用可調(diào)U托做支撐,每根豎桿用短鋼管連接扣緊,支架高度擬定12 m,支架頂托上沿橋橫向鋪10JHJ槽鋼,梁底板范圍順橋向布設(shè)0.1 m×0.1 m方木,方木間距0.3 m,方木上鋪設(shè)18 mm厚膠合板作為梁底模;膠合板寬3.3 m。兩側(cè)用10JHJ槽鋼布設(shè)縱向軌道,安放梁體模型。所有支架應(yīng)依據(jù)搭設(shè)高度設(shè)置普通鋼管剪刀撐,橫向每3排設(shè)剪刀撐1排,縱向在梁底設(shè)2排剪刀撐,支架布置如圖1所示。

        2 計(jì)算方法和計(jì)算模型

        為了保證箱梁在施工過程中支架具有足夠的安全性、穩(wěn)定性,同時(shí)保證支架在施工中不發(fā)生較大沉降,組成支架的各構(gòu)件應(yīng)具有足夠的承載力和剛度。根據(jù)橋梁施工規(guī)范和施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)支架的承載力和穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到支架各個(gè)構(gòu)件的最大內(nèi)力,按照容許應(yīng)力法計(jì)算各構(gòu)件的最大應(yīng)力,從而判斷構(gòu)件的安全性,同時(shí)計(jì)算支架的反力,評(píng)價(jià)地基的承載力是否滿足要求。

        按照支架設(shè)計(jì)圖紙,采用MIDAS-Civil有限元分析軟件,建立三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算。模型中支架采用桁架單元模擬,槽鋼、方木采用梁?jiǎn)卧M,支架底端為固結(jié)[1,2]。將箱梁自重、箱梁內(nèi)模板重量、膠合板重量、混凝土施工傾倒荷載、混凝土施工振搗荷載、施工機(jī)具人員等荷載均勻分?jǐn)傇?2根方木上。

        根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和文獻(xiàn),各臨時(shí)荷載集度見表1所列,一根方木上的計(jì)算荷載集度為15.56 kN/m,外膜荷載由兩根工字鋼分擔(dān),外膜的計(jì)算荷載集度為8.9 kN/m。在方木施加分布荷載,建立三維有限元計(jì)算模型,計(jì)算模型如圖2所示。

        3 計(jì)算結(jié)果分析

        3.1 方木承載力分析

        由計(jì)算結(jié)果知,方木的最大彎矩為0.559 kN·m;最大剪力為5.328 kN;最大位移為1.617 mm。

        圖1 支架布置圖

        表1 作用在支架上的荷載集度匯總表(單位:kN/m)

        由于方木在彈性范圍內(nèi)工作,根據(jù)材料力學(xué),方木的應(yīng)力為:

        方木的最大豎向位移為:

        圖2 支架三維有限元模型

        ωmax=滿足要求。

        3.2 槽鋼承載力分析

        槽鋼的加載圖式如圖2所示,彎矩圖和剪力圖如圖3所示。

        圖3 10JHJ 槽鋼內(nèi)力圖

        根據(jù)計(jì)算10JHJ槽鋼最大彎矩為1.10 kN·m;最大剪力為12.1 kN;最大位移為-1.7 mm。(負(fù)號(hào)表示向下);最大正應(yīng)力為28.5 MPa。

        由文獻(xiàn)[3]可知10JHJ槽鋼的截面特性,慣性矩I=198×104mm4,抵抗矩W=39.7×103mm3,截面積A=1 274.8 mm2,則槽鋼的最大應(yīng)力為:

        槽鋼的最大豎向位移為:

        ωmax=滿足要求。

        3.3 支架穩(wěn)定性分析

        為了分析支架在荷載作用下的穩(wěn)定性,根據(jù)結(jié)構(gòu)所受荷載的數(shù)據(jù),計(jì)算了支架在恒載、施工荷載、風(fēng)荷載作用下支架的整體穩(wěn)定性。對(duì)支架進(jìn)行了屈曲分析,求得了支架的10個(gè)模態(tài)。限于篇幅,此處只列出模態(tài)1,如圖4所示,同時(shí)得到每個(gè)模態(tài)的臨界荷載系數(shù),計(jì)算結(jié)果見表2所列。根據(jù)屈曲分析,可得支架整體在不同模態(tài)下的臨界荷載值,再由支架的實(shí)際荷載,即可判斷整個(gè)支架在施工過程中的穩(wěn)定性。

        圖4 支架的第1階模態(tài)圖

        表2 各模態(tài)的臨界荷載系數(shù)表

        模態(tài)1所對(duì)應(yīng)的荷載系數(shù)為10.09,對(duì)應(yīng)的臨界荷載為157 kN/m,遠(yuǎn)大于支架的實(shí)際荷載5.56 kN/m,故支架是穩(wěn)定的。

        3.4 支架桿立桿穩(wěn)定性分析

        支架桿件為受壓構(gòu)件,為保證支架的整體穩(wěn)定性,需要驗(yàn)算支架立桿的穩(wěn)定性[4,5]。根據(jù)計(jì)算,支架的立桿所受的最大軸力為18.1 kN。由文獻(xiàn)[5]知,立桿步距為1.25 m時(shí),立桿臨界荷載為29.2 kN。支架反力見圖5所示。

        立桿所受的最大軸力N=18.1 kN<[N]=29.2 kN,說明立桿是穩(wěn)定的。

        由于支架采用φ48×3.0的鋼管,由文獻(xiàn)[4]知,其回轉(zhuǎn)半徑i=15.9 mm,立桿的橫桿步距為h=1.2 m,按兩端鉸接時(shí)μ=1,l0=kμh=1.155×1×1.2=1.386(m)。

        式中,l0為立桿的計(jì)算長(zhǎng)度,對(duì)于滿堂支架,l0=kμh;k為長(zhǎng)度附加系數(shù),其值取為1.155;μ為壓桿長(zhǎng)度系數(shù);h為立桿步距。

        圖5 支架反力圖

        則鋼管的長(zhǎng)細(xì)比:λ=l0/i=1386/15.9=87.2,由文獻(xiàn)[4]可知:

        則,λs<λ<λp屬小柔度桿,則其臨界應(yīng)力等于許用應(yīng)力,按強(qiáng)度問題計(jì)算,則:

        σ=P/An=18100/424.1=42.68(MPa)≤σcr=σS[]=205 MPa

        則說明穩(wěn)定性滿足要求。由文獻(xiàn)[4]知,穩(wěn)定系數(shù)φ=0.736,則N/(φA)=18100/(0.736×424.1)=57.98(MPa)<f=205 MPa,說明立桿穩(wěn)定性滿足要求。

        3.5 地基承載力算

        由于支架立桿支撐在橫向連續(xù)鋪設(shè)的枕木上,為了保證枕木在施工過程不被壓入地基,有必要驗(yàn)算地基的承載力。

        枕木受力面積:A=5×0.22 m=1.1(m2)。梁端3.9 m范圍支架立桿間距為60 cm×60 cm,計(jì)算橫向單排立桿9.3根,地基所受全部荷載P=18.2×9.3=169.3(kN),則地基承載力σ=169.3÷1.1=153.9(kPa)。

        梁兩端3.9 m范圍以外,支架立桿間距為90 cm×90 cm,計(jì)算橫向單排立桿6.5根。由文獻(xiàn)[5]知,地基所受全部荷載P=26.5×1.3×6.5=223.9(kN),則地基承載力σ=223.9÷1.1=203.6(kPa),故地基承載力須達(dá)到250 kPa。

        4 結(jié)語

        為保證橋梁在施工中的安全,臨時(shí)結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析模型應(yīng)盡量接近實(shí)際情況,計(jì)算工況應(yīng)直接模擬施工過程,荷載的影響因素考慮要全面。采用支架法施工時(shí),若支架長(zhǎng)細(xì)比較大,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算,驗(yàn)算時(shí)所受荷載要考慮全面。

        橋梁跨越河流采用有支架施工方法時(shí),為防止支架在施工過程發(fā)生過大沉降,應(yīng)對(duì)支架反力進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而計(jì)算地基應(yīng)力,以保證容許承載力大于地基應(yīng)力。必要時(shí)應(yīng)在基礎(chǔ)頂面配置防裂鋼筋或者在鋼管立柱下端用方木或槽鋼連接成整體,以保證基礎(chǔ)穩(wěn)定性[6]。

        橋梁施工時(shí)為消除支架非彈性變形以驗(yàn)證支架的整體穩(wěn)定性,應(yīng)對(duì)支架進(jìn)行荷載預(yù)壓試驗(yàn),保證順利落梁。

        [1]任華,譚毅平.箱梁施工支架的三維靜力分析[J].中外公路,2010,(2):140~141.

        [2]劉華,葉見曙,劉鍵,李延安.連續(xù)梁橋跨河施工支架研究[J].橋梁建設(shè),2006,(1):140~141.

        [3]TB 10203-2002,鐵路橋涵施工規(guī)范[S].

        [4]GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [5]周水興,何兆益,鄒毅松.路橋施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2001.

        [6]鄭斐,等.大跨徑拱橋現(xiàn)澆施工支架的穩(wěn)定性分析[J].華東公路,2007,(6):35~36.

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